얼마 전 멀티스레드 환경에서 발생한 가시성 문제를 해결하기 위해 volatile 키워드를 사용한 적이 있다. 그 과정에서 이 키워드가 정확히 어떻게 동작하는지, 그리고 언제 사용해야 하는지 궁금해졌다. 이번 글에서는 volatile의 동작 원리와 특징을 정리해보겠다.

CPU의 메모리 구조

일단 메모리 구조를 살펴보자

CPU의 각 코어에는 성능 향상을 위해 L1 캐시가 내장되어 있다.

CPU는 메모리에서 읽어온 값을 캐시에 저장하고, 이후 동일한 데이터를 다시 사용할 때 캐시에서 직접 읽어 더 빠르게 처리한다.

데이터를 읽을 때는 먼저 캐시에 해당 값이 있는지 확인하고, 없을 경우 메인 메모리에서 불러온다.

이런 구조 때문에 여러 코어가 동시에 같은 메모리 주소를 접근할 때, 메모리의 값이 변경되었지만 캐시가 아직 갱신되지 않아 서로 다른 값을 참조하는 현상이 발생할 수 있다.

한번 코드로 테스트를 해보자!!

public class VisibilityExample {

    boolean active = true;

    public void runTest() {
        new Thread(() -> {
            int counter = 0;
            while (active) {
                counter++;
            }
            System.out.println("작업 스레드 종료. 최종 카운트: " + counter);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException ignored) {
            }
            System.out.println("제어 스레드: 작업 스레드를 중지합니다.");
            active = false;
        }).start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        new VisibilityExample().runTest();
    }
}

첫 번째 스레드는 running 플래그를 확인하면서 count 값을 계속 증가시킨다.

두 번째 스레드는 1초 후 running 플래그를 false로 변경한다.

우리는 두 번째 스레드가 실행되면 첫 번째 스레드의 무한 루프가 종료되고 "작업 스레드 종료. 최종 카운트: " + counter 가 출력될 것으로 예상한다.

그러나 실제로 실행해보면 첫 번째 스레드는 종료되지 않는다.

🤔 이유가 뭘까?

스레드 1은 running 변수를 읽을 때 자신의 CPU 캐시에 저장된 값을 참조한다.

반면, 스레드 2는 자신의 CPU 캐시에 있는 running 값을 false로 변경하기 때문에, 두 스레드는 동일한 변수 이름을 사용하더라도 서로 다른 메모리 영역의 값을 보고 있는 셈이 된다.

이러한 점을 해결하기 위해 volatile를 사용하는 것이다.

📌 volatile

volatile 는 해당 변수를 CPU 캐시가 아닌 메인 메모리(Main Memory) 를 통해 읽고 쓰도록 보장하는 키워드이다.

위에 코드의 active에 volatile를 붙여보자

package com.nexon;

public class VisibilityExample {

    volatile boolean active = true;

    public void runTest() {
        new Thread(() -> {
            int counter = 0;
            while (active) {
                counter++;
            }
            System.out.println("작업 스레드 종료. 최종 카운트: " + counter);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException ignored) {
            }
            System.out.println("제어 스레드: 작업 스레드를 중지합니다.");
            active = false;
        }).start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        new VisibilityExample().runTest();
    }
}

코드를 실행시키면 1초후에 프로그램이 종료되는 것을 확인 할 수 있다.

이처럼 volatile 키워드는 단순히 변수의 값을 메인 메모리에서 읽고 쓰도록 보장해 가시성 문제를 해결한다.

하지만 원자성(atomicity) 은 보장하지 않기 때문에, 복합적인 연산(예: count++)에서는 여전히 동기화(synchronized)가 필요하다.

즉, volatile은 ‘스레드 간 값이 즉시 반영되어야 하는 경우’에만 사용해야 하며, 동시에 여러 스레드가 값을 수정하는 상황이라면 락(lock) 을 사용해야 한다.

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🧹 정리

volatile가 뭔가요? 언제 사용해요?

volatile 키워드는 동시성 프로그래밍에서 발생할 수 있는 가시성 문제를 해결하기 위해 사용된다. 가시성 문제란, 여러 스레드가 동시에 변수를 사용할 때, 각 스레드의 CPU 캐시와 메인 메모리(RAM) 간 값이 일치하지 않아 한 스레드가 변경한 값을 다른 스레드가 바로 확인하지 못하는 상황을 의미한다. volatile을 붙인 변수는 모든 스레드가 메인 메모리에서 직접 읽고 쓰도록 보장되므로, 값의 변경이 즉시 다른 스레드에 반영된다.

이 키워드는 스레드 간 상태를 단순히 공유하는 플래그 변수나, 읽기/쓰기 연산만 필요한 경우에 사용된다. 하지만 volatile은 원자성(atomicity)을 보장하지 않기 때문에, 여러 스레드가 동시에 값을 수정하는 복합 연산에서는 synchronized나 Atomic 클래스를 사용해야 한다.

참고

[JAVA] Volatile 이란?